การวางเดิมพันกับอีพ็อกซี่: ตัวเลือกการเสริมความแข็งแรงที่ตัดสินความสามารถในการซ่อมแซมระยะยาว

ความเงียบที่มีราคาสูงที่สุดในห้องปฏิบัติการวิศวกรรมคือเสียงของบอร์ด "ruggedized" ที่ล้มเหลวในการทดสอบช็อกความร้อน คุณน่าจะเคยเห็นผลลัพธ์หลังจากนั้น: ตัวควบคุมที่ทนทาน ออกแบบมาเพื่ออยู่รอดภายในห้องเครื่องยนต์หรือหน่วย HVAC อุตสาหกรรม ถูกห่อหุ้มอย่างสมบูรณ์ในบล็อกอีพ็อกซี่สีดำแข็ง การออกแบบมีจุดประสงค์เพื่อปกป้อง วิศวกรต้องการหยุดการสั่นสะเทือน ป้องกันความชื้น และผ่านการตรวจสอบการพ่นเกลือ แต่เมื่อหน่วยนั้นกลับมาจากภาคสนาม เสียชีวิตตั้งแต่ยังไม่เริ่มทำงาน การปกป้องนั้นกลายเป็นสุสาน คุณไม่สามารถตรวจสอบรางไฟฟ้าได้ คุณไม่สามารถตรวจสอบข้อต่อบัดกรีได้ คุณเหลือเพียงก้อนอิฐที่เก็บความลับของความล่มสลายของมันเอง และไม่มีวิธีดึงข้อมูลเหล่านั้นออกมาโดยไม่ทำลายหลักฐาน

นี่คือความย้อนแย้งหลักของการทำให้วงจรอิเล็กทรอนิกส์ทนทาน การเคลื่อนไหวที่สัญชาตญาณ—ทำให้ทุกอย่างแข็งและไม่เคลื่อนไหว—มักจะเป็นการเคลื่อนไหวที่ผิดสำหรับความน่าเชื่อถือ เมื่อคุณท่วมแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ด้วยอีพ็อกซี่ที่มีโมดูลัสสูง คุณไม่ได้แค่เสริมเกราะให้มัน แต่คุณกำลังแนะนำผู้เข้าร่วมทางกลไกใหม่ขนาดใหญ่เข้าสู่การเต้นรำความร้อนที่ละเอียดอ่อนระหว่างซิลิกอน ทองแดง และไฟเบอร์กลาส การทำให้ทนทานที่แท้จริงพึ่งพาความยืดหยุ่นมากกว่าความแข็ง ตัวเลือกระหว่างการห่อหุ้มเต็มรูปแบบ (potting) กับการตรึงแบบผ่าตัดมักเป็นตัวเลือกระหว่างผลิตภัณฑ์ที่คุณสามารถบำรุงรักษาได้กับผลิตภัณฑ์ที่จะทำลายชื่อเสียงของคุณ

ฟิสิกส์ของการฆ่าตัวตายด้วยความร้อน

เพื่อเข้าใจว่าทำไมกาวที่ "แข็งแรงกว่า" มักจะทำลายบอร์ด คุณต้องดูตัวเลขที่ฟิสิกส์ไม่อนุญาตให้คุณมองข้าม ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) คือฆาตกรเงียบที่นี่ แผงวงจร FR4 มาตรฐานขยายตัวที่อัตราประมาณ 14 ถึง 17 ส่วนในล้านต่อองศาเซลเซียส (ppm/°C) เส้นทองแดงและผ้าไฟเบอร์กลาสเคลื่อนที่ไปด้วยกันที่อัตรานี้ อุปกรณ์ที่บัดกรีบนบอร์ดนั้น—ตัวเก็บประจุเซรามิก ชิปซิลิกอนภายในแพ็กเกจพลาสติก—มีอัตราของตัวเอง โดยปกติจะต่ำกว่า อยู่ในช่วง 6 ถึง 20 ppm/°C ข้อต่อบัดกรีดูดซับความไม่ตรงกันเล็กน้อยนี้ โดยยืดหยุ่นในระดับจุลภาคเมื่ออุปกรณ์ร้อนขึ้นและเย็นลง

ตอนนี้ แนะนำสารอุดทั่วไป อีพ็อกซี่แข็งส่วนใหญ่ที่ใช้สำหรับ "การปกป้อง" มีค่า CTE อยู่ระหว่าง 50 ถึง 80 ppm/°C นี่คือจุดเริ่มต้นของภัยพิบัติ เมื่ออุปกรณ์ร้อนขึ้น—ไม่ว่าจะจากการกระจายพลังงานภายในหรือการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิจาก -40°C ถึง +85°C—บล็อกอีพ็อกซี่ขนาดใหญ่นั้นขยายตัวเร็วกว่าแผงวงจรที่มันห่อหุ้มถึงสามถึงสี่เท่า ในจุดนั้น มันหยุดทำหน้าที่เป็นชั้นปกป้องและกลายเป็นเครื่องกดไฮดรอลิก อีพ็อกซี่จับอุปกรณ์และดึงมัน เนื่องจากอีพ็อกซี่มีขนาดใหญ่และแข็ง และลูกบัดกรีบน BGA (Ball Grid Array) มีขนาดเล็กและนุ่ม อีพ็อกซี่จึงชนะ มันตัดลูกบัดกรีออกจากแผ่นรอง หรือแย่กว่านั้น ฉีกแผ่นทองแดงออกจากชั้นลามิเนต PCB ทั้งหมด (pad cratering)

อย่าสับสนความรุนแรงทางกลนี้กับลักษณะที่ไม่เป็นอันตรายของการเคลือบคอนฟอร์มมอล วิศวกรมักจะสับสนทั้งสองอย่าง โดยถามว่าการเคลือบสเปรย์นั้นเป็น "การปกป้อง" ที่เพียงพอหรือไม่ การเคลือบคอนฟอร์มมอล—อะคริลิก ยูรีเทน ซิลิโคนบางๆ—มีความหนาเพียงไมครอน มีไว้เพื่อหยุดการเจริญเติบโตของเดนไดรต์และการกัดกร่อนจากความชื้น พวกมันไม่มีมวลพอที่จะออกแรงต่ออุปกรณ์ การอุดและการตรึงหนาเป็นโครงสร้าง; พวกมันถ่ายโอนแรง หากคุณใช้วัสดุที่ขยายตัวเหมือนลูกโป่งภายในท่อเหล็กแข็ง แรงบางอย่างต้องแตก โดยปกติจะเป็นการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าที่คุณพยายามรักษาไว้

ความแข็งคือศัตรู

เนื่องจากคุณแทบจะไม่สามารถจับคู่ CTE ได้อย่างสมบูรณ์—ค่าจากแผ่นข้อมูลสำหรับโพลิเมอร์ที่บ่มแล้วมักจะมองโลกในแง่ดีเกินจริงและแตกต่างกันไปตามล็อต—คุณต้องเปลี่ยนตัวแปรที่คุณควบคุมได้: ความแข็ง ในวิทยาศาสตร์วัสดุ นี่คือโมดูลัสของยัง (Young’s Modulus) มันคือความแตกต่างระหว่างการถูกตีด้วยหมอนกับการถูกตีด้วยอิฐ ทั้งสองอาจมีน้ำหนักเท่ากัน แต่การถ่ายโอนพลังงานแตกต่างกัน

วัสดุที่มีโมดูลัสสูง เช่น อีพ็อกซี่แข็งหลายชนิดหรือไซยาโนอะคริเลต (กาวซุปเปอร์) จะถ่ายโอนความเครียดโดยตรงไปยังจุดอ่อนที่สุด หากคุณติดตัวเหนี่ยวนำหนักด้วยกาวแข็งและบอร์ดสั่นสะเทือน กาวจะไม่ยืดหยุ่น พลังงานจะผ่านกาวและรวมตัวที่ฟอยล์ทองแดงของ PCB ผลลัพธ์มักจะเป็นอุปกรณ์ที่ยังติดกาวอย่างสมบูรณ์กับชิ้นส่วนไฟเบอร์กลาสที่ถูกฉีกขาด แยกออกจากวงจร

ทางเลือกคือวัสดุที่มีโมดูลัสต่ำ โดยทั่วไปคือซิลิโคนหรือยูรีเทนดัดแปลง ยางซิลิโคน RTV (Room Temperature Vulcanizing) อาจมีค่า CTE สูงมาก—บางครั้งเกิน 200 ppm/°C—แต่เนื่องจากมันนุ่มมาก (โมดูลัสต่ำ) จึงไม่สำคัญ เมื่อมันขยายตัว มันจะบีบแทนที่จะดึง มันทำหน้าที่เป็นตัวดูดซับแรงกระแทกแทนที่จะเป็นตัวส่งผ่านความเครียด มีเหตุผลที่คุณเห็นซิลิโคนถูกใช้ในสภาพแวดล้อมรถยนต์ที่มีการสั่นสะเทือนสูงแม้จะมีปัญหาทางเคมี: มันยืดหยุ่น มันให้อภัยการเคลื่อนไหวของบอร์ด

การตรึงแบบผ่าตัด: ทางสายกลาง

บอร์ดที่น่าเชื่อถือที่สุดในภาคสนามมักหลีกเลี่ยงการห่อหุ้มเต็มรูปแบบ เว้นแต่จำเป็นอย่างยิ่งสำหรับการป้องกันการลัดวงจรแรงดันสูงหรือแรงดันน้ำลึกในทะเล แทนที่จะใช้การตรึงแบบผ่าตัด ซึ่งเป็นการปฏิบัติในการยึดเฉพาะอุปกรณ์ที่จำเป็นจริงๆ—ตัวเก็บประจุอิเล็กโทรไลต์สูง ตัวเหนี่ยวนำหนัก และตัวเชื่อมต่อ—ในขณะที่ปล่อยให้บอร์ดเองสามารถระบายอากาศได้

เป้าหมายคือการหยุดความเมื่อยล้าทางกลไกโดยไม่ก่อให้เกิดความเมื่อยล้าทางความร้อน คุณไม่จำเป็นต้องจมชิ้นส่วนเพื่อช่วยมัน ข้อผิดพลาดทั่วไปที่มักนำเข้ามาจากโลกของอุปกรณ์มือถือ/มือถือ คือความต้องการที่จะ "เติมน้อยเกินไป" ทุกอย่าง ในโทรศัพท์ การเติมน้อยเกินไปช่วยป้องกันเหตุการณ์ตกหล่นรุนแรงเพียงครั้งเดียว ในอุปกรณ์อุตสาหกรรม การเติมน้อยเกินไปมักสร้างฝันร้ายจากการขยายตัวทางความร้อนในช่วงหลายปีของการเปลี่ยนอุณหภูมิรายวัน

วิธีที่ดีกว่าสำหรับชิ้นส่วนหนักคือ "การยึดมุม" หรือ "การยึดแบบฟิลเล็ต" คุณใช้กาวที่ยืดหยุ่นได้กับมุมหรือฐานของชิ้นส่วน สร้างพื้นที่กว้างที่ต้านทานการสั่นสะเทือน วิธีนี้เพิ่มแรงกลของฐานยึดโดยไม่ล็อกตัวชิ้นส่วนให้อยู่ในกรงความร้อนที่แข็งตัว คุณกำลังเพิ่มตัวดูดซับแรงกระแทกให้กับชิ้นส่วนหนัก ข้อต่อบัดกรีจะส่งสัญญาณไฟฟ้า ส่วนการยึดจะรับภาระทางกล พวกมันควรเป็นหน้าที่แยกกัน

ความจริงของการทำงานซ้ำ

สุดท้าย หากคุณไม่สามารถถอดการเสริมความแข็งแรงออกได้ คุณก็ไม่ได้เป็นเจ้าของข้อมูลความน่าเชื่อถือของผลิตภัณฑ์ของคุณจริงๆ เมื่อโมดูลที่ถูกหุ้มล้มเหลว และคุณไม่สามารถละลายการหุ้มได้โดยไม่ใช้สารเคมีรุนแรงเช่น Dynasolve ที่ยังทำลายชั้นบัดกรีและฉลาก คุณก็เหมือนบินตาบอด คุณไม่สามารถทำการวิเคราะห์สาเหตุรากฐานได้ มันเป็นข้อต่อบัดกรีที่เสียหรือไม่? ตัวเก็บประจุปลอม? เส้นทางแตก? คุณจะไม่มีวันรู้เลย คุณจะโยนมันลงถังขยะและหวังว่าชุดถัดไปจะดีกว่า

สำหรับเซ็นเซอร์ราคาสิบดอลลาร์ อาจจะใช้เศรษฐศาสตร์แบบใช้แล้วทิ้งได้ แต่สำหรับตัวควบคุมที่สำคัญ การคืนสินค้า "ไม่พบข้อผิดพลาด" เป็นการสูญเสียทรัพยากรวิศวกรรมของคุณ วัสดุที่ใช้ยึดซึ่งสามารถลอกออกหรือผ่าด้วยมีดร้อนช่วยให้คุณเปลี่ยนชิ้นส่วน ตรวจสอบความล้มเหลว และแก้ไขกระบวนการได้จริง ความสามารถในการซ่อมไม่ได้หมายถึงแค่การซ่อมแซมหน่วยเดียว—แต่เป็นการรักษาการเข้าถึงเพื่อเรียนรู้ว่าทำไมมันถึงเสียตั้งแต่แรก หากคุณฝังข้อผิดพลาดของคุณในอีพ็อกซี่ คุณก็ต้องเผชิญกับการทำผิดซ้ำ